自动控制原理MATLAB实验报告.docx
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自动控制原理MATLAB实验报告
实验报告
实验一典型环节的MATLAB仿真
一、实验目的
1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。
2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应
曲线的理解。
3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理
1．比例环节的传递函数为
Z2
R2
2R1100K,R2
200K
G（s）
R1
Z1
其对应的模拟电路及SIMULINK
图形如图1所示。
图1比例环节的模拟电路及SIMULINK图形
2．惯性环节的传递函数为
R2
Z2
R1
2
G（s）
R2C11
R1100K,R2200K,C11uf
Z1
0.2s1
其对应的模拟电路及
SIMULINK
图形如图2所示。
图2惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形
班级：
XX：
学号：
1
实验报告
3．积分环节（I）的传递函数为
Z2
1
1
G（s）
R1C1s
R1100K,C11uf
Z1
0.1s
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图3所示。
图3
积分环节的模拟电路及及
SIMULINK
图形
4．微分环节（D）的传递函数为
G（s）
Z2
R1C1s
s
R1100K
C1
10uf
C2C10.01uf
Z1
其对应的模拟电路及SIMULINK
图形如图4
所示。
图4微分环节的模拟电路及及
SIMULINK图形
5．比例+微分环节（PD）的传递函数为
G（s）
Z2
R2
（R1C1s
1）
（0.1s
1）
Z1
R1
R1R2
100K,C1
10uf
C2
C1
0.01uf
其对应的模拟电路及SIMULINK
图形如图5所示。
图5比例+微分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲线
班级：
XX：
学号：
2
实验报告
6．比例+积分环节（PI）的传递函数为
R21
（11）R1R2100K,C110uf
G（s）
Z2
C1s
Z1
R1
s
其对应的模拟电路及
SIMULINK
图形如图6所示。
图6比例+积分环节的模拟电路及SIMULINK图形曲
三、实验内容
按下列各典型环节的传递函数，建立相应的SIMULINK仿真模型，观察并记录其单位阶跃响应波形。
①比例环节G1（s）
②惯性环节G1（s）
③积分环节G1（s）
④微分环节G1（s）
⑤比例+微分环节（
⑥比例+积分环节（
1和G1（s）
2；
1
和G2
（s）
1
1
s
1
0.5s
1
s
s
PD）
G1
（）
2
和
G2
（s）s
1
ss
PI）G1（s）1
1
和G2（s）1
1
s
2s
四、实验报告
记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。
①比例环节：
G1（s）1（如图7所示）G1（s）2（如图8所示）
班级：
XX：
学号：
3
实验报告
②
惯性环节：
G1
（s）
1（如图9所示）
G2（s）
1
（如图10所示）
s
1
0.5s
1
③积分环节：
G1（s）1s（如图11所示）
④微分环节：
G1（s）s（如图12所示）
⑤比例+微分环节（PD）：
G1（s）s2（如图13所示）G2（s）s1（如图14所示）
⑥比例+积分环节（PI）：
G1（s）1
1
（如图15所示）
G2（s）1
1
（如图16
所示）
s
2s
班级：
XX：
学号：
4
实验报告
实验二基于MATLAB控制系统单位阶跃响应分析
一.实验目的
1.学会使用MATLAB编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线。
2.研究二阶控制系统中，n对系统阶跃响应的影响。
3.掌握准确读取动态特性指标的方法。
4.分析二阶系统闭环极点和闭环零点对系统动态性能的影响。
二、实验报告
100
已知单位负反馈前向通道的传递函数为：
G（s）s25s
1.试作出其单位阶跃响应曲线，准确读出其动态性能指标，并记录数据。
2.分析ωn不变时，改变阻尼比，观察闭环极点的变化及其阶跃响应的变化。
当＝0，0.25，0.5，0.75，1，1.25时，求对应系统的闭环极点、自然振荡频率及阶跃响应曲
线。
班级：
XX：
学号：
5
实验报告
3.保持＝0.25不变，分析ωn变化时，闭环极点对系统单位阶跃响应的影响。
当n＝10，30，50时，求系统的阶跃响应曲线。
4.分析系统零极点对系统阶跃响应的影响。
班级：
XX：
学号：
6
实验报告
实验三基于MATLAB控制系统的根轨迹及其性能分析
一、实验目的
1.熟练掌握使用MATLAB绘制控制系统零极点图和根轨迹图的方法。
2.学会分析控制系统根轨迹的一般规律。
3.利用根轨迹图进行系统性能分析。
4.研究闭环零、极点对系统性能的影响。
二、实验原理
1.根轨迹与稳定性
当系统开环增益从变化时，若根轨迹不会越过虚轴进入s右半平面，那么系统对所
有的K值都是稳定的；若根轨迹越过虚轴进入s右半平面，那么根轨迹与虚轴交点处的
K值，就是临界开环增益。
应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或某一参数下的闭环零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。
2.根轨迹与系统性能的定性分析
1）稳定性。
如果闭环极点全部位于s左半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性
只与闭环极点的位置有关，而与闭环零点位置无关。
2）运动形式。
如果闭环系统无零点，且闭环极点为实数极点，则时间响应一定是
单调的；如果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。
3）超调量。
超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率，并与其它闭环零、极
点接近坐标原点的程度有关。
4）调节时间。
调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如
果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点
的模值。
5）实数零、极点影响。
零点减小闭环系统的阻尼，从而使系统的峰值时间提前，超调量增大；极点增大闭环系统的阻尼，使系统的峰值时间滞后，超调量减小。
而且这种影响将其接近坐标原点的程度而加强。
三、实验报告
s25s5
1.已知系统的开环传递函数G（s）H（s）s（s1）（s22s2），绘制系统的零极点图。
班级：
XX：
学号：
7
实验报告
2.若已知系统开环传递函数，绘制控制系统的根轨迹图，并分析根轨迹的一般规律。
k
G（s）H（s）
s（s1）（s2）
班级：
XX：
学号：
8
实验报告
实验四线性系统的频域分析
一、实验目的
1．掌握用MATLAB语句绘制各种频域曲线。
2．掌握控制系统的频域分析方法。
二、实验报告
1．典型二阶系统
2
G（s）
n
s
2
2ns
2
n
绘制出
6，
0.1，
，
，
，
的
bode
图，记录并分析
对系统
bode
图的
n
0.3
0.50.82
影响。
班级：
XX：
学号：
9
实验报告
2．系统的开环传递函数为
G（s）
10
s
2（5s1）（s5）
G（s）
8（s
1）
2（s
15）（s2
6s10）
s
G（s）
4（s/3
1）
1）（0.05s1）（0.1s1）
s（0.02s
绘制系统的Nyquist曲线、Bode图，说明系统的稳定性，并通过绘制阶跃响应曲线验证。
班级：
XX：
学号：
10
实验报告
3．已知系统的开环传递函数为
G（s）
s1
。
求系统的开环截止频率、穿
2（0.1s
s
1）
越频率、幅值裕度和相位裕度。
应用频率稳定判据判定系统的稳定性。
4．根据频域分析方法分析系统，说明频域法分析系统的优点。
班级：
XX：
学号：
11
实验报告
实验五线性系统串联校正
一、实验目的
1．熟练掌握用MATLAB语句绘制频域曲线。
2．加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
二、实验内容
1）采用PI调节器串联校正
对于给定的单位反馈闭环系统，如图
1所示：
+-
8.15
10.05s1
0.01s
图1
原闭环系统结构图
串联校正装置的传递函数为Gc（s）
6.1310.05s，试画出原系统及各校正环节的模
s
拟线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析校正前、
后系统的性能。
班级：
XX：
学号：
12
实验报告
2）采用PD调节器串联校正
对于给定的单位反馈闭环系统，如图2所示：
+-
0.5
ss2
图2原闭环系统结构图
串联校正装置的传递函数为Gc（s）810.25s，试画出原系统及各校正环节的模拟
线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析校正前、
后系统的性能。
班级：
XX：
学号：
13
实验报告
3）采用PID调节器串联校正
对于给定的单位反馈闭环系统，如图3所示：
+-
10
ss2
图3
原闭环系统结构图
串联校正装置的传递函数为Gc（s）
4.81
1
，试画出原系统及各校正环
0.25s
0.6s
节的模拟线路图及校正前后系统的闭环结构图，记录测试数据及响应波形，并分析
校正前、后系统的性能。
班级：
XX：
学号：
14
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